Elettricità via Wi-Fi: dal Mit arriva la “rectenna” flessibile / Electricity via Wi-Fi: from the MIT comes the flexible "rectenna"

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Energia elettrica dal Wi-Fi, per alimentare in continuo dispositivi elettronici di ogni sorta. Realizzata al Mit con i nuovi materiali bidimensionali, la "rectenna" servirà per l'elettronica flessibile, e non solo.

Viviamo costantemente connessi, grazie anche all’ormai ubiquitario Wi-Fi, che anni fa ci liberò dall’oppressione del cavo, del collegamento fisico con la rete internet o un dispositivo. Oggi sono le onde elettromagnetiche a scambiare milioni di dati con i vari device, non solo smartphone e computer, che utilizziamo nelle nostre vite private e lavorative. E in futuro queste stesse frequenze potrebbero fornirci anche l’energia elettrica necessaria a farli funzionare. Sulle pagine di Nature, ricercatori del Mit di Cambridge (Usa) annunciano di aver realizzato un’antenna–rettificatore, un dispositivo che riceve un segnale radio Wi-Fi  e lo converte in corrente continua, come quella fornita da una batteria. La”rectenna”, così battezzata dagli autori dello studio, è realizzata con i nuovi materiali bidimensionali, spessi pochi atomi, ed è dunque flessibile. Le sue applicazioni spaziano dall’elettronica indossabile ai dispositivi medici, all’internet delle cose e all’architettura, essendo in grado di trasformare in generatori di energia interi edifici.

Energia dal Wi-Fi con le “rectenne”

(Foto: Christine Daniloff)

Sfruttare l’energiatrasportata dalle onde elettromagnetiche è un’idea perseguita da anni. Tuttavia, nessuna soluzione fin’ora trovata appariva adeguata ai futuri sviluppi dell’elettronica flessibile. Inoltre, i ricercatori non hanno cercato di creare una “ricarica wireless”, bensì di realizzare un dispositivo che riceve un segnale Wi-Fi e lo converta in corrente elettrica continua, rendendo inutili, o quanto meno non indispensabili, le batterie. La “rectenna” è un’antenna è in grado di captare il segnale elettromagnetico e convertirlo in segnale elettrico in corrente alternata (Ac) combinata con un rettificatore che trasforma la corrente alternata in corrente continua (Dc), come quella generata da una batteria. In questo modo, un dispositivo elettronico che implementa una “rectenna” potrebbe fare a meno di accumulare energia, potendo ricavarla dai segnali Wi-Fi presenti nell’ambiente. La “rectenna” realizzata da Xu Zhang e colleghi è riuscita a generare una potenza di40 microwatt con un segnale Wi-Fi di 150 microwatt, più che sufficiente ad alimentare un piccolo display o un chip al silicio.

Un diodo Schottky ultrasottile

Per realizzare le “rectenne”  i ricercatori hanno usato un nuovo materiale 2D: il disolfuro di molibdeno (MoS2). Questo materiale, spesso quanto tre atomi, è uno dei semiconduttori più sottili al mondo. Il MoS2 ha una proprietà particolare: quando viene esposto a determinate sostanze chimiche i suoi atomi si riposizionano, e dunque può funzionare come un interruttore. In questo passaggio avviene una transizione di fase da semiconduttore a semimetallo, nota come diodo Schottky, cioè una giunzione fra un semiconduttore e un metallo.

“Ingegnerizzando il MoS2 in una giunzione bidimensionale abbiamo costruito un diodo Schottky ultrasottile e ultraveloce”, ha spiegato l’autore dello studio, Xu Zhang. Tradizionalmente, le “rectenne” sfruttano materiali come il silicio e il gallio con cui si riesce a coprire la banda di frequenze del Wi-Fi, ma che sono molto rigidi. Invece, la “rectenna” messa a punto dal team del Mit è flessibile e ha un’efficienza di conversione del 40%, mentre la maggior parte dei rettificatori basati sul MoS2 arrivano al 30%. Oggi, le “rectenne” basate su gallio e silicio, più rigide ma anche più costose, arrivano ad efficienze tra il 50 e il 60%.

Non solo Wi-Fi

Le “rectenne” flessibili realizzate finora avevano anche il problema di non riuscire a coprire le frequenze gigahertz, cioè le frequenze che usano la maggior parte dei telefoni e dei Wi-Fi. “Il nostro dispositivo riesce a ridurre gli effetti di capacità parassite, effetti indesiderati che colpiscono la maggior parte dei dispositivi elettronici”, ha chiarito Xu Zhang. “Siamo riusciti a ottenere un diodo con capacità parassite molto ridotte e quindi abbastanza veloce da coprire la maggior parte delle radio-frequenze usate oggi nell’elettronica come Wi-Fi, bluetooth, Lte e molti altri”.

Lo strumento messo a punto dai ricercatori è flessibile, economico e leggero. Una “rectenna” del genere potrebbe essere usata per avvolgere grandi superfici, come palazzi e autostrade, che a quel punto si trasformerebbero in veri e propri generatori di corrente elettrica.

Ci sono molte altre applicazioni cui si presterebbero questi dispositivi: elettronica flessibile e indossabile come quella integrata nell’abbigliamento, sensori per “l’internet delle cose”, dispositivi medici impiantabili nei pazienti (che se provvisti di batteria sarebbero pericolosi a causa della tossicità del litio). Il prossimo passo dei ricercatori ora sarà quello di aumentare ancora l’efficienza ed elaborare nuovi e più complessi dispositivi.

ENGLISH

Electricity from Wi-Fi, to continuously power electronic devices of all sorts. Made at MIT with the new two-dimensional materials, the "rectenna" will serve for flexible electronics, and more.

We live constantly connected, thanks to the now ubiquitous Wi-Fi, which years ago freed us from cable oppression, physical connection to the internet or a device. Today it is the electromagnetic waves that exchange millions of data with the various devices, not just smartphones and computers, that we use in our private and working lives. And in the future these same frequencies could also provide us with the electrical energy needed to make them work. On the pages of Nature, researchers from the MIT of Cambridge (USA) announce that they have created an antenna-rectifier, a device that receives a Wi-Fi radio signal and converts it into direct current, such as that supplied by a battery. The "rectenna", so baptized by the authors of the study, is made with the new two-dimensional materials, a few atoms thick, and is therefore flexible. Its applications range from wearable electronics to medical devices, the Internet of things and architecture, being able to transform entire buildings into energy generators.

Energy from Wi-Fi with "rectenne"

 Exploiting the energy carried by electromagnetic waves is an idea that has been pursued for years. However, no solution found until now seemed adequate for future developments in flexible electronics. Moreover, the researchers did not try to create a "wireless recharge", but to create a device that receives a Wi-Fi signal and converts it into continuous electric current, making the batteries useless, or at least not indispensable. The "rectenna" is an antenna that is able to pick up the electromagnetic signal and convert it into an electric signal in alternating current (Ac) combined with a rectifier that transforms the alternating current into direct current (Dc), like that generated by a battery. In this way, an electronic device that implements a "rectenna" could do without accumulating energy, being able to obtain it from the Wi-Fi signals present in the environment. The "rectenna" made by Xu Zhang and colleagues managed to generate a power of 40 microwatts with a Wi-Fi signal of 150 microwatts, more than enough to power a small display or a silicon chip.

An ultrathin Schottky diode
To realize the "rectennas" the researchers used a new 2D material: molybdenum disulfide (MoS2). This material, often as much as three atoms, is one of the most subtle semiconductors in the world. MoS2 has a particular property: when it is exposed to certain chemicals its atoms reposition itself, and therefore it can function as a switch. In this step there is a phase transition from semiconductor to semi-metal, known as a Schottky diode, i.e. a junction between a semiconductor and a metal.

"By engineering the MoS2 into a two-dimensional junction, we built an ultra-thin, ultra-fast Schottky diode," said the study's author, Xu Zhang. Traditionally, the "rectennas" exploit materials such as silicon and gallium with which it is possible to cover the frequency band of Wi-Fi, but which are very rigid. Instead, the "rectenna" developed by the Mit team is flexible and has a conversion efficiency of 40%, while most MoS2-based rectifiers reach 30%. Today, the "rectennas" based on gallium and silicon, more rigid but also more expensive, reach efficiencies between 50 and 60%.

Not just Wi-Fi


The flexible "rectennas" implemented so far also had the problem of not being able to cover the gigahertz frequencies, ie the frequencies that most phones and Wi-Fi use. "Our device manages to reduce the effects of parasitic capacities, unwanted effects that affect most electronic devices," Xu Zhang clarified. "We managed to get a diode with very low parasitic capacities and therefore fast enough to cover most of the radio-frequencies used today in electronics such as Wi-Fi, bluetooth, LTE and many others."

The tool developed by researchers is flexible, economical and light. A "rectenna" of the kind could be used to wrap large surfaces, such as buildings and highways, which at that point would turn into real electricity generators.

There are many other applications that would lend themselves to these devices: flexible and wearable electronics such as the one integrated into clothing, sensors for the "internet of things", implantable medical devices in patients (which if they are battery-powered would be dangerous due to the toxicity of the lithium). The next step for researchers will now be to increase efficiency and develop new and more complex devices.

Da:

https://www.galileonet.it/2019/01/elettricita-wi-fi-materiali-2d/